2009~2013年，上报国家安全生产监督管理总局的煤与瓦斯突出事故共计68起(程远平等，2014)，从中分析发现，煤层局部变化致使地应力呈明显集中的地带与突出有直接的相关关系，比如由于煤层冲刷、小型逆冲推覆断层、小型低幅褶曲等因素导致局部煤层厚度变薄甚至尖灭的区域(Shepherd et al.，1981；Hargaves et al.，1981).新景矿位于阳泉矿区西部，为突出矿井，主采的山西组3#煤层为突出煤层，并以小型、频发、压出和瓦斯喷出为特点，截至07年，矿井发生的近158次瓦斯突(喷)出中，53次发生在煤层冲刷区(汤友谊等，2012).鉴于此，查明其位置显得尤为重要.传统地质手段(钻探、巷探)获得的信息量小，解释精度低(郑岩等，2007).三维地震数据记录地层连续性好，控制精度高，因此在煤层冲刷带圈定方面得到了广泛的应用(吴奕峰和孟凡彬，2010).但利用煤层反射波运动学信息和单一动力学信息(如振幅)划分出的冲刷带范围与实际情况往往有出入，例如新景矿八采区3806 工作面的掘进过程中，回风顺槽遇到的冲刷带，与三维地震解释位置相差240 m.本文将根据区内地质条件设计煤层冲刷带模型，正演3#煤层冲刷带的地震响应规律.在此基础上，利用本区现有实际地震资料，综合多种地震岩性信息分析方法对本区煤层冲刷带进行划分圈定.

以往的工作，并没有对煤层冲刷带和煤与瓦斯突的相关性进行系统研究，对煤层冲刷带瓦斯地质认识不足.现有研究认为煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯、煤的物理力学性质等因素综合作用的结果，尤其是地应力场的作用(俞启香和程远平，2012；张春华等，2013；程远平等，2013).由于煤层等软岩层地应力研究方法匮乏，地应力测量难度很大(沈海超等，2009)，通常利用数值模拟的方法，对煤层构造带及附近地应力场进行正演模拟(Xu，2014；Zhu and Wei，2011).本文将新景矿芦南二区作为研究实例，运用COMSOL Multiphysics有限元多物理场耦合分析软件模拟冲刷带地应力分布.结合井下采样实测数据，对应力异常带煤层瓦斯和煤岩物理力学性质等进行讨论，分析煤层冲刷带与煤与瓦斯突出相关性并确定冲刷带内突出危险性最大的部位.最后，结合煤矿实测的煤层瓦斯突(喷)出点分布进行验证.研究对于预测和防治煤与瓦斯突出有着重要的意义和理论价值.

研究区芦南二区隶属于新景矿，面积约为6 km².3#煤层埋深400~550 m，平均厚度为2.52 m，赋存稳定，正常(直接)顶、底板多为炭质泥岩或砂质泥岩，但与底板不同的是，顶板部分区域因古河道冲刷作用，煤层直接顶消失，呈现为坚硬砂岩或砂泥岩互层的特征.根据以往钻孔揭露和回采资料显示，冲刷带的范围往往要从尖灭点向外推30~50 m，大多呈条带状横穿采区多个工作面.煤层冲刷砂岩顶板与煤层正常顶板的接触部位可称为过渡区段，从过渡区段开始，顶板岩性开始变化，煤层厚度通常也开始变化.

为研究3#煤层冲刷带的地震响应规律，根据采区地质条件，设计了煤层冲刷带简化模型.模型长度800 ｍ，高度600 m.模拟煤层深度400~500 m，倾角6°.因此，模型中煤层直接顶、底板均为泥岩，煤层冲刷区顶板为砂岩，煤层变薄至尖灭区长度为30 m，如图 1a.模型中地层的物理力学参数见表 1(赵阳升和胡耀青，1995；刘最亮和张少青，2011).根据煤层冲刷带模型进行正演模拟，放炮接收方式为“自激自收”，地震道为161道，道间距为5 m.选用30 Hz的零相位雷克子波，子波长度为100 ms，采样间隔为1 ms，得到煤层冲刷带模型的正演剖面，如图 1b所示.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 煤层冲刷带地质模型及正演地震记录Fig. 1 Geological model and seismic model of coal seam scouring(a) Geological model of coal seam scouring; (b) Synthetic section of coal seam scouring.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 煤层冲刷带模型的几何与物性参数 Table 1 Geometric and geophysical parameters of coal seam scouring model 岩性 深度范围H (m) 厚度h(m) 纵波速度Vp(m·s-1) 横波速度Vs(m·s-1) 密度ρ(g·cm-3) 泊松比μ 杨氏模量E(MPa) 泥岩 0~100400~484413~597 1001010 3170 1585 2.36 0.333 砂岩 100~484 423~600 3601 2172 2.56 0.22 30000 煤层 410~494 3 2400 1260 1.3 0.315 2174

表 1 煤层冲刷带模型的几何与物性参数Table 1 Geometric and geophysical parameters of coal seam scouring model

地震属性是指从叠前或叠后地震数据中提取出来的运动学、动力学和统计学地震特殊测量值(Rijks and Jauffred，1991；张延玲等，2005；尹成和王治国，2012；王开燕等，2013).煤田中，利用地震属性的变化区分构造、进行煤层结构和岩性解释(于捷等，2011；李鹏等，2013).从图 1b中可清楚看到，煤层反射波在冲刷区有明显异常.从正演地震剖面中提取煤层反射波的属性信息，并优选出4种地震属性(振幅、主频、相位和低频带能量)进行对比分析，如图 2.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 煤层反射波的地震属性 (a)振幅; (b) 主频;(c) 相位; (d) 低频带能量.Fig. 2 Seismic attributes of the coal reflection wave (a)Amplitude to dominant frequency; (b) Dominant frequency; (c) Phase corresponding to dominant frequency; (d) Low-band energy.

图中(a)、(c)可以看出，煤层冲刷区的主频振幅较正常煤层明显要弱，相位变化剧烈.另外对比图中(b)、(d)发现，在煤层冲刷变薄区煤层反射波的主频降低，而煤层冲刷缺失区又明显升高，在低频带范围内，前者表现为较高的能量，后者表现为低能量.因此，相比于振幅属性和相位属性，频率域属性在识别煤层冲刷带方面灵敏度较低.

本区3#煤层与上下围岩有较大的波阻抗差异，是一个较好的反射界面，形成的反射波(T3)能量强、特征明显.煤层反射波中含有各种地质信息，煤层结构或岩性变化都会引起它们的变化，主要反映在密度、速度及其他弹性参量的差异上.图 3为煤层正常区域与煤层(顶板)冲刷变薄区域的地震剖面.对比发现，煤层冲刷带T3 波有以下变化：①振幅(即能量)明显变弱；②相位发生转移；③波形特征改变.T3波对冲刷带响应特征和正演模拟结果的规律相符.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 煤层地震剖面特征(Inline2403)Fig. 3 Seismic profile characteristics (Inline2403)

根据正演分析结果及本区的地质任务，对T3波进行地震属性提取，结合实际地质资料和测井资料对冲刷带的响应特征，优选出瞬时振幅属性如图 4a所示.图中，正常煤层反射波振幅在1000以上，冲刷带的振幅明显要低于500，可以清晰的辨别煤层冲刷带范围及位置.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 实际地震资料T3波地震属性切片 (a) T3波瞬时振幅属性切片; (b) T3波地震相分类图.Fig. 4 Instantaneous amplitude slice of T3 reflection (a) Instantaneous amplitude slice of T3 reflection; (b) Seismic faces classification map of T3 reflection.

由煤层冲刷带在理论剖面和实际剖面上的特征可知，其反射波波形明显区别于正常煤层.为此，可以通过基于波形的地震相分析，识别煤层冲刷带(Linari et al.，2003；张帅等，2013).通过对地震资料进行波形分类，获得T3波的多个地震相分类图，结合区内钻孔资料，优选出时窗为15ms、分类数为7的地震相分类图，如图 4b.图中，黑色线所圈定的两处均为煤层冲刷带.对比发现，右侧圈定的紫色区域和左侧圈定的红棕色区域，分别类属于7类地震相中的第1类和第7类，即两处所表示的地质意义有差别.右侧圈定区域切片上有部分空白，原因是该区域在地震剖面上的波形特征变化剧烈，为煤层冲刷缺失区域，即砂岩发育区；而左侧圈定的区域，部分钻孔显示，煤层顶板为砂泥岩互层.鉴于此，认为两处圈定区域类属不同，可能与煤层顶板岩性差异有关.

地震反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一，利用高纵向分辨率的测井曲线约束横向连续性很好的地震资料，通过反演运算，得到的波阻抗数据体能够反映地层和岩性信息(彭刘亚等，2012，2013；崔大尉和于景邨，2014；姜晓宇等，2014；苗广文等，2011).图 5为3#煤层顶板波阻抗切片，顶板砂岩和泥岩由于岩性不同，波阻抗值存在明显差异.泥岩，其波阻抗值为7500~8500 g/cm³·m/s左右，色标为红色；砂质泥岩或砂泥岩互层，其波阻抗值为9000~10000 g/cm³·m/s左右，色标为红色-兰色；砂岩，其波阻抗值在11000 g/cm³·m/s以上，色标为蓝色-紫色.根据图中展现的3#煤层顶板岩性分布情况，确定蓝色线所圈范围及洋红色线所圈范围为煤层冲刷区.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 3#煤层顶板波阻抗切片Fig. 5 The roof acoustic impedance slice of seam No.3

综合钻孔资料，红色和兰色交界地带大致为煤层冲刷带的边缘，即过渡区段；兰色-蓝色区域，煤层顶板砂岩不甚发育，其代表的地质意义为本区古河流水动力条件相对较弱，煤层受冲刷程度低，或仅顶板冲刷，煤层厚度变化较小，代表钻孔为3-124孔；蓝色-紫色区域，煤层受冲刷程度高，甚至缺失，顶板砂岩发育，代表钻孔为3-140孔及3-129孔.上述分析结果表明，相比于洋红色线所圈范围，蓝色线所圈范围总体上煤层受冲刷程度较低，煤层顶板一定范围内泥质含量较高.这和地震相分析结果有着很好的对应.因此，基于多种地震岩性信息的分析研究结果大体上展现了煤层及其顶板岩性的空间形态、结构，对于准确圈定冲刷带范围、位置及解决瓦斯突出等问题起到了关键的作用.

研究工作的目标是为获得芦南二区煤层冲刷带应力分布状态.鉴于此，所建三维有限元弹塑性本构模型只考虑冲刷带的影响.运用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟和分析.在模型建立时，假设：

1)煤层及围岩为均匀、弹性各向同性连续介质；

2)边界应力为区域应力，作用方向垂直于边界；

3)不考虑地形因素；

4)不考虑煤层瓦斯的影响.

文献(沈海超等，2009)指出，煤层水平方向的地应力主要由上覆岩层重力作用产生，由构造作用产生的水平应力分量很小，而硬岩层则正好相反.因此模拟时不考虑区域构造应力是可行的.尽管以上假设与地下实际煤岩特性有一定的差别，但很多实验结果表明其近似程度很好.模型尺寸按照芦南二区大小缩小5倍，即长702 m，宽504 m.模型的其他几何参数及地层的物理力学参数见表 1.煤层变薄区顶界面由函数y=acosbx给出，其中x∈[0，π]，图 6所示.

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图 6 煤层冲刷带三维模型图Fig. 6 3D model of coal seam scouring

通过数值模拟，获得3#煤层地应力场的分布.图 7a显示煤层尖灭区及其附近应力出现一个明显的高峰值，即应力较为集中.为了方便对比，取尖灭区一点为基准，将煤层近底板位置处的垂向应力大小绘制到其对应水平位置，如图 7b所示.

图 7(Figure 7)

Fig. 7

图 7 煤层冲刷带应力分布规律 (a) 煤层地应力分布三维立体显示; (b) 煤层冲刷带及附近应力变化曲线.Fig. 7 Stress distribution of coal seam scouring (a) 3D stress distribution of coal seam; (b) Plots of stress distribution in coal seam scouring area and the nearby area.

图 7b中显示煤层尖灭区为高应力异常区，σ_max=18.3 MPa，从尖灭区向外，应力值出现明显的跌落，最小应力值(σ_min=10.1 MPa)出现在过渡区段，随后应力又反弹，最后趋于正常应力值(σ_n=12.01 MPa).因此过渡区段煤层在两端应力差下容易发生剪切滑动，从而形成一定厚度的构造煤，同时该处发生局部变厚，形成厚煤包，钻孔揭露煤层过厚或过薄地带存在煤层冲刷带便验证了这一点(汤友谊等，2012).分别在本区7202、7209、7212工作面的煤层冲刷带采样.并对煤样分别进行甲烷等温吸附、压汞等测试，测试结果见表 2(李明，2013；张立平等，2003).根据表中拟合的吸附常数绘制3#煤等温吸附曲线，如图 8所示.

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 3#煤煤样压汞及等温吸附测试结果 Table 2 The mercury penetration and isotherm adsorption test results about No.3 coal samples 煤体结构 采样地点 Ro,max /% 孔隙率/% 吸附常数 总孔容/mm3·g-1 总孔比表面积/m2·g-1 坚固性系数f 渗透率/mD a b 原生结构煤 7212/7209 2.66 4.94 30.03 1.050 39.50 22.62 0.52 0.000315 构造煤 7212/7202/7209 2.23 6.95 31.25 1.196 67.35 16.06 0.44

表 2 3#煤煤样压汞及等温吸附测试结果Table 2 The mercury penetration and isotherm adsorption test results about No.3 coal samples

图 8(Figure 8)

Fig. 8

图 8 3#煤煤样等温(20 ℃)吸附曲线Fig. 8 Isotherm adsorption curves of No.3 coal samples (20 ℃)

曲线表明在0~1 MPa之间，随瓦斯压力增大煤体吸附量呈较大幅度增加，煤体吸附极限高达29.54 m³/t，由此看来3#煤吸附性能强，非常有利于瓦斯储集；对比分析发现，过渡区段构造煤和原生结构煤的吸附曲线相差不大，说明煤体吸附瓦斯量与煤体结构破坏与否无明显关系，但是构造煤的孔隙率、总孔容大，容易保存更多游离瓦斯.过渡区段含构造煤，煤体强度低，形成局部薄弱带；煤层变薄尖灭区及煤层厚度正常区应力较过渡区段大，从而造成过渡区段(煤包)与周围存在一定的瓦斯压力梯度，引起周围瓦斯向煤包运移，瓦斯聚集，从而形成瓦斯包.总之，在煤层冲刷变薄至尖灭区域，瓦斯含量及瓦斯压力均高于同水平的正常区段，尤其在过渡区段与周围煤层具有较大的瓦斯压力梯度，最容易发生煤与瓦斯突出，是圈定冲刷带的关键部位.

将新景矿提供的3#煤层瓦斯突(喷)出点分布位置投影到图 5所示煤层顶板波阻抗切片上，可以看出，芦南二区现有的12个瓦斯突(喷)出点，9个分布在煤层冲刷区域，尤其是边缘地带(过渡区段).

4.1    构建煤层冲刷带地质模型，进行模拟计算，获得正演地震剖面，提取煤层反射波的属性信息并进行比较，发现其振幅和相位属性对煤层冲刷带敏感.

4.2     依据正演结果，利用该区现有的三维地震资料，综合瞬时振幅属性特征、地震相分类特征和声波阻抗响应特征，获得3#煤层及其顶板地震岩性信息，基本展现了煤层冲刷缺失、局部冲刷和仅顶板冲刷的分布区域，进而准确圈定出冲刷带位置及分布范围.

4.3    运用有限元正演模拟软件，模拟研究区煤层冲刷带对地应力分布的影响，分析冲刷带和煤与瓦斯突出的相关性.正演结果显示，在煤层尖灭和变薄区存在应力集中.结合井下采样实测数据，发现煤层冲刷区域存在突出危险性，但过渡区段突出危险性最大，是圈定冲刷带的关键部位.

4.4    本次研究工作中确定的煤层冲刷带位置、范围与实测瓦斯突(喷)点吻合度很高.因此煤层冲刷作用是控制矿井控制矿井瓦斯突(喷)出的主要地质因素之一.而且运用多种地震岩性信息响应特征可有效的查明煤层冲刷带位置及边界.

致 谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！